基于ARM7的以太网监控系统在水产养殖中的应用

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'基于ARM7的以太网监控系统在水产养殖中的应用'
长江大学学报(自科版)理工卷2007年3月第4卷第1期Journal of Yangtze University (Nat Sci Edit) Sci & Eng V Mar. 20071 Vol. 4 No. 1 ? 97 ?基于ARM7的以太网监控系统在水产养殖中的应用张 宏,余新平 (长江大学电子信息学院,湖北荆州434023)[播要]通过合理逸择实时據作糸铳和TCP/IP协议.将两者嵌入到基于ARM7TDMI ?的S3C44B0X中. 借助网卡芯片RTL8O19AS t成了嵌入式WEB SERVER的设计.通过以大网实现对养殖池塘溟度的监 控.为基于以次网的远程监控提供了一种解决方案.其中采用互斥信号URL加密算法.有效地改善 了系统的实时性和安全性.[关II词]以太网:监控系统$ uC/Q&U, TCP/IP协议栈丨WEB SERVER, URL加密算法[中图分类号]TP368.1; TP393 [文献标识码]A [文章壊号]1673- 1409 (2007) 01 -N097-03随着网络技术的广泛应用,网络监控已经成为远程监控的一种有效途径,越来越多的嵌人式应用需 要支持网络功能,以达到通过网络完成远程信息交互的目的。在水产养殖中,池塘的温度对水产品的生 长有着重要的影响。通过以太网,使用嵌人式WEB SERVER对池塘温度进行远程监控,可以及时地调 节池塘温度,提高养殖效率和降低养殖风险。笔者采用基于ARM7TDMI核的S3C44B0X实现精简的 TCP/IP协议栈,通过芯片内部的A/D模块不断地采集池塘温度,并及时上传到以太网上更新监控网 页,授权用户通过1E浏览器可以随时对池塘进行远程监控,完成日常的管理工作。1系统硬件设计图1是系统的硬件结构框图。处理器选用三星公司的S3C44B0X, ROM采用SST39VF160 (1MX 16B),外部RAM采用H Y57V641620 (4BanksX 1MX 16B),网络接口芯片选用Realtek公可的网络接 口芯片 RTL8019ASoS3C44B0XRTL80I9ASAIN7?()输入侧8 路 A/D 转化器电机控制信号?PE3电机控制信召會PE4电机控制信号PE5AI-A20D0-DI5nGCSO nOE nWEBA nSCSO n SRAS nSCAS DQMI-0 EXINT3 nGCS4 □RESETSST39VFI60HY57V64I620A0-A4 D0-DI5 A5-A7 A8-A9 AI0-AI9IORB JOWEA0-AI2 nWE D0-DI5 BAnCSnRAS nCAS LDQM/UDQMA0-AI9D0-D15nCEnOEnEWINTO AEN RSTDRVTPOUT + TX+TPOUT ?—■rx-TP1N+RX+TPIN?RX-RJ45OSCOOSCI图1统硬件结构框图〔收稿日期]2006 - 11?25〔作者简介]张宏(1982 ■儿男.2004年大学申业.硕士生.现主要从事多媒体通信与信息处理方面的研究工作。?98? 长江大学学报(自科版)理工卷 2007年3月作为WEB SERVER的核心单元,S3C44B0X芯片具有丰富的片上资源⑴,这给外围电路的设计带 来很多方便。需要指出,S3C44B0X中内含8个Bank (BankO?Bank7),总共256MB,将外部资源各 自RAM的基地址分别映射在各Bank中,S3C44BOX对外部资源的寻址是通过访问相应Bank来完成 的。RTL8019AS是一种10M ISA网卡芯片,NE2000兼容,接口简单。内部集成了片内RAM (16KB),笔者采用8位接法和选择跳线配置模式。通过脉冲变压器PM34-1006 (在网卡芯片的前端对 网络信号进行脉冲波形变换)链接RJ45接口到网络端。因为采用nGCS4作为以太网卡的地址使能,网 卡映射在Bank4,故设定其端口 I/O基地址为0x08000000.2系统软件设计在WEB SERVER的实现过程中,系统的软件设计分为下3个部分:嵌入式实时操作系统 uC/OS- D的移植、精简TCP/IP协议栈的实现和应用层具体功能的完成.2.1僚入式实时操作系统uC/OS-II的移植笔者选用可剥夺内核的实时操作系统uC/OS-ll V2. 52,摆脱传统的前/后台执行模式,提高系统处 理信息的实时性⑵。具体修改4个文件* OS-CFG.H、OS _ CPU?H. OS-CPU_C?C和O S.CPU _A. ASM.任务的优先级反转是系统应用中影响WEB SERVER实时性的关键问题,对此笔者选用互 斥信号量来进行解决。首先将一个很高的优先级(该优先级高于所有任务的优先级)分配给共享资源, 当某个任务占用共享资源时,提高该任务的优先级到先前分配给共享资源的优先级水平)当前任务运行 完成后,将该任务的优先级恢复到原来的水平,释放共享资源供其他的任务使用。2.2精简TCP/IP协议族的实现在S3C44B0X上实现TCP/IP协议栈,因为WEB SERVER主要完成温度数据和控制命令的传输, 不需要支持复杂网页的显示,同时受硬件平台资源限制,所以实现精简的TCP/IP协议栈。TCP/IP参 考协议栈分为4层⑶:1) 数据链路层 由RTL8019AS实现芯片初始化、发送数据包和接受数据包的工作⑷。采用 Ethernet D锁格式,它只处理接受地址与本机物理地址相同或为广播地址的以太祯。在该层也完成对 ARP包的处理。2) 网络层 实现网际协议IP和因特网控制报文协议1CMP。其中对于ICMP协议只是完成类型号 为0、代码为0的Ping应答协议⑸。3) 传输层 实现传输控制协议TCP和用户数据协议UDP,支持网络地址解析协议(NAT〉和超 文本传输协议(HTTP〉。由于WEB SERVER在应用中一宜处于被动服务状态,设计中省去了 SYN? SENT状态,让其一直处于LISTEN状态。4) 应用层实现HTTP协议。2.3应用层具体功能的实现WEB SERVER的应用层实现HTTP协议⑹。系统提供WEB页面让用户完成对池塘温度的监控、 实现用户认证、温度实时显示.历史数据浏览和电机工作状态设定等功能。针对嵌入式应用存储器空间有限的特点,笔者采用HTTP/1.1的可持续链接的方法,也就是只建 立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求/响应消息,滅少链接建立的次数和经常性的链接 开销。为兼顾系统资源的占用和运行效率,该系统设定了 9个链接。客户端浏览器访问有jpg图片的主 页时,首先用一条TCP链接访问主页,服务器响应请求返回这个主页时只是返回图片文件名称,客户 端打开另一条TCP链接来取得该图片。TCP/IP协议栈中没有提供任何安全机制,为实现网络安全,笔者在TCP_ PROCESS. Task ()
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